Bildnachweis: NASA
Wie jeder weiß, sind chemische Raketen für die Erforschung des Weltraums zu langsam. Am effizientesten sind möglicherweise Hybridsysteme mit unterschiedlichen Antriebsarten, die an verschiedenen Punkten einer Reise eingesetzt werden. Dieser Artikel enthält eine Aufschlüsselung der Technologien, an denen die NASA derzeit arbeitet.
"Mama, sind wir schon da?"
Jeder Elternteil hat diesen Schrei vom Rücksitz des Autos gehört. Es beginnt normalerweise ungefähr 15 Minuten nach Beginn einer Familienreise. Gut, dass wir selten mehr als ein paar hundert oder ein paar tausend Meilen von zu Hause entfernt sind.
Aber was wäre, wenn Sie beispielsweise zum Mars reisen würden? Selbst wenn der rote Planet alle paar Jahre der Erde am nächsten kommt, ist er immer mindestens 35 Millionen Meilen entfernt. Sechs Monate dort und sechs Monate zurück - bestenfalls.
"Houston, sind wir schon da?"
"Chemische Raketen sind einfach zu langsam", beklagt Les Johnson, Manager für Weltraumtransporttechnologien im Marshall Space Flight Center der NASA. "Sie verbrennen ihr gesamtes Treibmittel zu Beginn eines Fluges und dann rollt das Raumschiff nur den Rest des Weges." Obwohl das Raumschiff durch die Schwerkraftunterstützung beschleunigt werden kann - ein himmlischer Knaller um Planeten wie den um den Saturn, der die Voyager 1 an den Rand des Sonnensystems schleuderte - werden die Reisezeiten zwischen Planeten immer noch in Jahren gemessen zu Jahrzehnten. Und eine Reise zum nächsten Stern würde Jahrhunderte, wenn nicht Jahrtausende dauern.
Schlimmer noch, chemische Raketen sind einfach zu sparsam im Kraftstoffverbrauch. Denken Sie daran, mit einem Benzinfresser durch ein Land ohne Tankstellen zu fahren. Sie müssten eine Schiffsladung Benzin mitnehmen und sonst nicht viel. In Weltraummissionen wird das, was Sie auf Ihrer Reise ohne Kraftstoff (oder Tanks für Kraftstoff) mitnehmen können, als Nutzlastmasse bezeichnet - z. B. Personen, Sensoren, Probenehmer, Kommunikationsausrüstung und Lebensmittel. So wie der Kraftstoffverbrauch eine nützliche Gütezahl für die Kraftstoffeffizienz eines Autos ist, ist der „Nutzlastmassenanteil“ - das Verhältnis der Nutzlastmasse einer Mission zur Gesamtmasse - eine nützliche Gütezahl für die Effizienz von Antriebssystemen.
Mit den heutigen chemischen Raketen ist der Nutzlastmassenanteil gering. "Selbst bei Verwendung einer Flugbahn mit minimaler Energie, um eine sechsköpfige Besatzung von der Erde zum Mars zu schicken, würde die Gesamtstartmasse allein mit chemischen Raketen 1.000 Tonnen übersteigen - von denen etwa 90 Prozent Treibstoff wären", sagte Bret G. Drake. Manager für die Analyse und Integration des Weltraumstarts im Johnson Space Center. Der Treibstoff allein würde doppelt so viel wiegen wie die fertiggestellte Internationale Raumstation.
Eine einzige Mars-Expedition mit der heutigen chemischen Antriebstechnologie würde Dutzende von Starts erfordern - von denen die meisten einfach chemischen Kraftstoff starten würden. Es ist, als ob Ihr 1-Tonnen-Kleinwagen 9 Tonnen Benzin benötigt, um von New York City nach San Francisco zu fahren, da er im Durchschnitt nur eine Meile pro Gallone beträgt.
Mit anderen Worten, Antriebssysteme mit geringer Leistung sind ein Hauptgrund, warum Menschen den Mars noch nicht betreten haben.
Effizientere Antriebssysteme erhöhen den Nutzlastmassenanteil durch eine bessere „Gaslaufleistung“ im Weltraum. Da Sie nicht so viel Treibmittel benötigen, können Sie mehr Gepäck mitnehmen, in ein kleineres Fahrzeug steigen und / oder schneller und billiger dorthin gelangen. "Die Schlüsselbotschaft lautet: Wir brauchen fortschrittliche Antriebstechnologien, um eine kostengünstige Mission zum Mars zu ermöglichen", erklärte Drake.
So entwickelt die NASA jetzt Ionenantriebe, Sonnensegel und andere exotische Antriebstechnologien, die den Menschen seit Jahrzehnten auf andere Planeten und Sterne bringen - aber nur auf den Seiten der Science-Fiction.
Von der Schildkröte zum Hasen
Was sind die wissenschaftlich-tatsächlichen Optionen?
Die NASA arbeitet intensiv an zwei grundlegenden Ansätzen. Die erste besteht darin, radikal neue Raketen zu entwickeln, die einen um eine Größenordnung besseren Kraftstoffverbrauch als chemische Antriebe aufweisen. Die zweite besteht darin, „treibstofffreie“ Systeme zu entwickeln, die mit Ressourcen betrieben werden, die im Vakuum des Weltraums reichlich vorhanden sind.
Alle diese Technologien haben eines gemeinsam: Sie starten langsam wie die sprichwörtliche Schildkröte, verwandeln sich aber im Laufe der Zeit in einen Hasen, der tatsächlich ein Rennen zum Mars gewinnt - oder wo auch immer. Sie stützen sich auf die Tatsache, dass eine kleine kontinuierliche Beschleunigung über Monate ein Raumschiff letztendlich viel schneller antreiben kann als ein enormer anfänglicher Tritt, gefolgt von einer langen Ausrollperiode.
Oben: Dieses Raumschiff mit geringem Schub (ein Künstlerkonzept) wird von einem Ionenmotor angetrieben und mit Solarstrom betrieben. Irgendwann wird das Fahrzeug schneller - ein Ergebnis der unerbittlichen Beschleunigung - und mit vielen Meilen pro Sekunde dahinrennen. Bildnachweis: John Frassanito & Associates, Inc.
Technisch gesehen handelt es sich bei allen Systemen um Systeme mit geringem Schub (was bedeutet, dass Sie kaum die ach so sanfte Beschleunigung spüren würden, die dem Gewicht eines auf Ihrer Handfläche liegenden Stücks Papier entspricht), aber langen Betriebszeiten. Nach Monaten anhaltender geringer Beschleunigung würden Sie mit vielen Meilen pro Sekunde mitfahren! Im Gegensatz dazu weisen chemische Antriebssysteme einen hohen Schub und kurze Betriebszeiten auf. Sie werden in die Sitzkissen zurückgedrückt, während die Motoren zünden, aber nur kurz. Danach ist der Tank leer.
Treibstoffsparende Raketen
"Eine Rakete ist alles, was etwas über Bord wirft, um sich vorwärts zu bewegen", betonte Johnson. (Glauben Sie dieser Definition nicht? Setzen Sie sich auf ein Skateboard mit einem in eine Richtung gerichteten Hochdruckschlauch, und Sie werden in die entgegengesetzte Richtung angetrieben.)
Führende Kandidaten für die fortschrittliche Rakete sind Varianten von Ionenmotoren. In gegenwärtigen Ionenmotoren ist das Treibmittel ein farbloses, geschmackloses, geruchloses Inertgas wie Xenon. Das Gas füllt eine Kammer mit Magnetring, durch die ein Elektronenstrahl läuft. Die Elektronen treffen auf die gasförmigen Atome, stoßen ein äußeres Elektron weg und verwandeln neutrale Atome in positiv geladene Ionen. Elektrifizierte Gitter mit vielen Löchern (15.000 in den heutigen Versionen) fokussieren die Ionen auf den Auspuff des Raumschiffs. Die Ionen schießen mit einer Geschwindigkeit von bis zu mehr als 100.000 Meilen pro Stunde an den Gittern vorbei (vergleiche dies mit einem Indianapolis 500-Rennwagen mit 225 Meilen pro Stunde) und beschleunigen den Motor in den Weltraum, wodurch Schub erzeugt wird.
Woher kommt der Strom, um das Gas zu ionisieren und den Motor aufzuladen? Entweder aus Sonnenkollektoren (sogenannter solarelektrischer Antrieb) oder aus Spaltung oder Fusion (sogenannter nuklearer elektrischer Antrieb). Solare elektrische Antriebsmotoren wären am effektivsten für Robotermissionen zwischen Sonne und Mars und nukleare elektrische Antriebe für Robotermissionen jenseits des Mars, bei denen das Sonnenlicht schwach ist, oder für menschliche Missionen, bei denen Geschwindigkeit von entscheidender Bedeutung ist.
Ionenantriebe funktionieren. Sie haben sich nicht nur in Tests auf der Erde, sondern auch in funktionierenden Raumfahrzeugen bewährt - das bekannteste ist Deep Space 1, eine kleine Mission zum Testen von Technologien, die von solaren elektrischen Antrieben angetrieben wird, die im September vorbeiflogen und den Kometen Borrelly fotografierten. 2001. Ionenantriebe wie der, der Deep Space 1 antreibt, sind etwa zehnmal so effizient wie chemische Raketen.
Treibmittelfreie Systeme
Die Antriebssysteme mit der geringsten Masse können jedoch solche sein, die überhaupt kein Treibmittel an Bord tragen. Tatsächlich sind sie nicht einmal Raketen. Stattdessen leben sie im Stil eines echten Pioniers „vom Land“ - sie verlassen sich auf Energie aus natürlichen Ressourcen, die im Weltraum reichlich vorhanden sind, so wie sich Pioniere früher darauf verlassen haben, Tiere zu fangen und Wurzeln und Beeren an der Grenze zu finden.
Die beiden führenden Kandidaten sind Sonnensegel und Plasmasegel. Obwohl der Effekt ähnlich ist, sind die Betriebsmechanismen sehr unterschiedlich.
Ein Sonnensegel besteht aus einer riesigen Fläche aus hauchdünnem, hochreflektierendem Material, das im Weltraum entfaltet wird, um Licht von der Sonne (oder von einer Mikrowelle oder einem Laserstrahl von der Erde) einzufangen. Für sehr ehrgeizige Missionen können Segel eine Fläche von bis zu vielen Quadratkilometern haben.
Sonnensegel nutzen die Tatsache, dass Sonnenphotonen, obwohl sie keine Masse haben, einen Impuls haben - mehrere Mikronewton (ungefähr das Gewicht einer Münze) pro Quadratmeter in der Entfernung der Erde. Dieser sanfte Strahlungsdruck beschleunigt das Segel und seine Nutzlast langsam aber sicher von der Sonne weg und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 150.000 Meilen pro Stunde oder mehr als 40 Meilen pro Sekunde.
Ein häufiges Missverständnis ist, dass Sonnensegel den Sonnenwind fangen, einen Strom energetischer Elektronen und Protonen, die von der äußeren Atmosphäre der Sonne wegkochen. Nicht so. Sonnensegel erhalten ihren Schwung durch das Sonnenlicht. Es ist jedoch möglich, den Impuls des Sonnenwinds mit sogenannten „Plasmasegeln“ zu nutzen.
Plasmasegel sind dem Erdmagnetfeld nachempfunden. Leistungsstarke Elektromagnete an Bord würden ein Raumschiff mit einer Magnetblase von 15 oder 20 Kilometern Durchmesser umgeben. Hochgeschwindigkeits geladene Teilchen im Sonnenwind würden die Magnetblase genauso drücken wie das Erdmagnetfeld. Die Erde bewegt sich nicht, wenn sie auf diese Weise geschoben wird - unser Planet ist zu massiv. Aber ein Raumschiff würde allmählich von der Sonne weggeschoben werden. (Ein zusätzlicher Bonus: So wie das Erdmagnetfeld unseren Planeten vor Sonnenexplosionen und Strahlungsstürmen schützt, würde auch ein magnetisches Plasmasegel die Insassen eines Raumfahrzeugs schützen.)
Oben: Das Konzept eines Künstlers einer Raumsonde in einer Magnetblase (oder einem „Plasmasegel“). Geladene Teilchen im Sonnenwind treffen auf die Blase, üben Druck aus und treiben das Raumschiff an. [Mehr]
Natürlich ist die ursprüngliche, bewährte treibstofffreie Technologie die Schwerkraftunterstützung. Wenn ein Raumschiff an einem Planeten vorbeischwingt, kann es einen Teil des Orbitalimpulses des Planeten stehlen. Dies macht für einen massiven Planeten kaum einen Unterschied, kann aber die Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs eindrucksvoll steigern. Als Galileo beispielsweise 1990 von der Erde schwang, stieg die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs um 11.620 Meilen pro Stunde. In der Zwischenzeit verlangsamte sich die Erde in ihrer Umlaufbahn um weniger als 5 Milliardstel Zoll pro Jahr. Solche Schwerkrafthilfen sind wertvoll bei der Ergänzung jeder Form von Antriebssystemen.
Okay, jetzt, wo Sie durch den interplanetaren Raum rasen, wie können Sie an Ihrem Ziel genug langsamer werden, um in eine Parkbahn zu gelangen und sich auf die Landung vorzubereiten? Beim chemischen Antrieb besteht die übliche Technik darin, Retrorockets abzufeuern, was wiederum große Mengen an Bordkraftstoff erfordert.
Eine weitaus wirtschaftlichere Option wird durch Aerocapture versprochen - das Bremsen des Raumfahrzeugs durch Reibung mit der Atmosphäre des Zielplaneten. Der Trick besteht natürlich darin, ein interplanetares Hochgeschwindigkeitsraumschiff nicht verbrennen zu lassen. Wissenschaftler der NASA sind jedoch der Ansicht, dass mit einem entsprechend gestalteten Hitzeschild viele Missionen mit nur einem Durchgang durch die obere Atmosphäre in die Umlaufbahn um einen Zielplaneten gebracht werden könnten.
Weiter!
"Keine einzige Antriebstechnologie kann alles für alle tun", warnte Johnson. In der Tat wären Sonnensegel und Plasmasegel wahrscheinlich in erster Linie nützlich, um Fracht und nicht Menschen von der Erde zum Mars zu befördern, da „es zu lange dauert, bis diese Technologien die Geschwindigkeit erreichen“, fügte Drake hinzu.
Dennoch könnte sich ein Hybrid aus mehreren Technologien als sehr wirtschaftlich erweisen, um eine bemannte Mission zum Mars zu erhalten. Tatsächlich könnte eine Kombination aus chemischem Antrieb, Ionenantrieb und Aerocapture die Startmasse einer 6-Personen-Mars-Mission auf unter 450 Tonnen (die nur sechs Starts erfordern) reduzieren - weniger als die Hälfte der mit chemischem Antrieb allein erreichbaren Masse.
Eine solche Hybridmission könnte folgendermaßen ablaufen: Chemische Raketen würden das Raumschiff wie üblich vom Boden abheben. In einer erdnahen Umlaufbahn würden sich Ionenantriebsmodule entzünden oder Bodensteuerungen könnten ein Solar- oder Plasmasegel einsetzen. Für 6 bis 12 Monate würde das Raumschiff - vorübergehend unbemannt, um zu vermeiden, dass die Besatzung großen Strahlungsdosen in den Van Allen-Strahlungsgürteln der Erde ausgesetzt wird - spiralförmig davonlaufen und sich allmählich auf eine endgültige hohe Erdumlaufbahn beschleunigen. Die Besatzung würde dann in einem Hochgeschwindigkeitstaxi zum Marsfahrzeug gebracht; Eine kleine chemische Stufe würde dann das Fahrzeug hochwerfen, um der Geschwindigkeit zu entkommen, und es würde weiter zum Mars fahren.
Während sich Erde und Mars in ihren jeweiligen Umlaufbahnen drehen, ändert sich die relative Geometrie zwischen den beiden Planeten ständig. Obwohl alle 26 Monate Startmöglichkeiten zum Mars bestehen, finden alle 15 Jahre die optimalen Ausrichtungen für die billigsten und schnellstmöglichen Reisen statt - die nächste kommt 2018.
Vielleicht haben wir bis dahin eine andere Antwort auf die Frage: "Houston, sind wir schon da?"
Ursprüngliche Quelle: NASA Science Story
